基于GPR的濱海鹽漬土土壤鹽分探測(cè)技術(shù)研究

趙學(xué)偉 王萍 李新舉 劉寧

摘要：為了探究探地雷達(dá)（GPR）對(duì)濱海鹽漬土水鹽運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)特征，利用探地雷達(dá)測(cè)得濱海鹽漬土的土壤鹽含量。選擇水鹽含量不同，其余土壤特性類似植被長(zhǎng)勢(shì)不同的地塊，設(shè)置4種處理方式：分別加入20 L水、20 L 濃度為5 g/L的NaCl溶液、20 L 濃度為20 g/L的 NaCl溶液、對(duì)照地塊。使用250 MHz的pulse EKKO PRO探地雷達(dá)，探測(cè)不同地塊不同層次不同處理方式下的土壤介電常數(shù)與振幅。通過對(duì)不同水鹽狀態(tài)下的土壤介電常數(shù)與振幅的分析，發(fā)現(xiàn)水鹽的增加會(huì)加大土壤的介電常數(shù)，逐層減弱振幅。在1 m深度范圍內(nèi)GPR測(cè)得介電常數(shù)與振幅信息能夠從一定程度上反映土壤鹽分變化。

關(guān)鍵詞：GPR；土壤鹽分；電磁波速度；介電常數(shù)；土壤振幅；濱海鹽漬土

中圖分類號(hào)：S156.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2018）04-0084-07

Abstract The lands with different soil water and salt contents and vegetation growth but similar other soil properties were selected for the experiment. Four treatments were set including CK， adding 20 L of water， adding 20 L of 5 g/L NaCl solution and adding 20 L of 20 g/L NaCl solution. Based on GPR， the coastal saline soil salinity was detected to study the response characteristics of GPR to water-salt movement. The soil dielectric constant and amplitude were measured with the 250 MHz pulse EKKO PRO GPR in different soil layers of different lands under different treatments. The results showed that the dielectric constant was increased and the amplitude was weaken layer by layer with the increase of water and salt. In the 1 m depth of soil， the dielectric constant and amplitude information measured by GPR could reflect the changes of soil salinity to a certain extend.

Keywords GPR；Soil salinity；Electromagnetic wave velocity；Dielectric constant；Soil amplitude；Coastal saline soil

黃河三角洲地區(qū)鹽漬土面積大，占其總面積的70%左右[1]，該區(qū)域土壤剖面構(gòu)型多樣，時(shí)空變異性強(qiáng)，土壤水鹽運(yùn)移過程復(fù)雜[2]。而土壤鹽漬化具有很嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和危害，是全球范圍內(nèi)普遍關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問題[3]，土壤鹽分的監(jiān)測(cè)是水鹽動(dòng)態(tài)運(yùn)移研究的前提。

探地雷達(dá)（GPR）可實(shí)現(xiàn)中小尺度無損測(cè)量，越來越多的被用于土壤特性的調(diào)查中，但目前大多數(shù)是關(guān)于土壤層次和厚度、水分的測(cè)定等應(yīng)用研究[4]。例如GPR測(cè)量濱海鹽漬土剖面分層[5]；探測(cè)不同質(zhì)地土壤復(fù)墾結(jié)構(gòu)[6]；確定最佳天線距離提高土壤表層含水量測(cè)量精度[7]，均取得較多進(jìn)展[8]。而對(duì)于土壤鹽分監(jiān)測(cè)的研究并不多，且大都集中在內(nèi)陸鹽漬土地區(qū)[9]，分析土壤鹽分與地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的關(guān)系[10]，評(píng)估鹽漬化在深度方向上的變化，估算土壤鹽分含量[11-13]。

濱海鹽漬土地區(qū)水鹽含量高，水鹽運(yùn)移規(guī)律差異顯著，利用GPR反演土壤鹽分含量具有重要意義。對(duì)于探地雷達(dá)電磁波而言，水分的增加會(huì)增大土壤的介電常數(shù)，減弱電磁波的傳播速度[14]；鹽分的增加會(huì)減弱電磁波的能值，減少其探測(cè)的深度，減弱土壤電磁波的振幅[15]。本研究嘗試在濱海鹽漬土地區(qū)選取典型地塊，分別加入水鹽處理，觀測(cè)GPR信號(hào)響應(yīng)特征，得到影響因子，以期為GPR信號(hào)反演土壤含鹽量奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地點(diǎn)選在山東省濱州市“渤海糧倉(cāng)”試驗(yàn)示范基地（N37°56′42.93″，E117°57′43.02″）。該區(qū)域?qū)偌撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫12.1℃，無霜期206 d，日照時(shí)數(shù)2 724.5 h。多年平均年降水量為570.1 mm，汛期降水量為436.8 mm，約占年降水量的77.8%，平均年蒸發(fā)量1 285.5 mm，年蒸發(fā)量是年降水量的2.3倍，境內(nèi)淡水資源十分匱乏，是典型的黃河三角洲鹽漬土區(qū)域。選擇土壤質(zhì)量均勻一致的地塊作為試驗(yàn)區(qū)，土壤為濱海氯化物鹽漬土，質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用加拿大探測(cè)器與軟件公司生產(chǎn)的pulse EKKO PRO系列GPR主機(jī)以及250 MHz屏蔽天線，數(shù)據(jù)采集軟件為DVL Firmware。

測(cè)量步驟：分別選取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)裸土地、小麥長(zhǎng)勢(shì)一般的地塊、小麥長(zhǎng)勢(shì)良好的地塊（長(zhǎng)10 m，寬1 m）。三類地塊土壤除水鹽含量不同，其它土壤特性基本一致。將3個(gè)地塊分別劃出4個(gè)長(zhǎng)度為2 m，寬度為1 m的小區(qū)，其中3個(gè)小區(qū)分別加入20 L水， 20 L濃度為5 g/L NaCl溶液和20 L濃度為 20 g/L NaCl溶液，使其逐漸滲入（如圖1所示）。

沿每個(gè)地塊的長(zhǎng)邊方向進(jìn)行FO法測(cè)量，天線內(nèi)部間距為0.38 m，外部間距為零，時(shí)窗設(shè)置為76 ns，水平采樣間隔4 cm；在每個(gè)地塊中心處進(jìn)行共中心點(diǎn)（CMP）法測(cè)量，步距設(shè)置為20 cm，即各天線每次移動(dòng)10 cm。

每次水分添加后（間隔1 d供水分入滲），進(jìn)行GPR測(cè)量和采樣。

1.3 試驗(yàn)方法

因?yàn)I海鹽漬土水鹽變換是同時(shí)進(jìn)行的，鹽含量的變化不能單獨(dú)考慮鹽分影響，因此加入GPR信號(hào)中反映土壤水分特征變化的土壤介電常數(shù)來綜合分析濱海鹽漬土的鹽分含量。

GPR影像處理中，秉持使用最少的圖像處理步驟，并獲取高清晰度的上層土體剖面信息為原則，利用Line View軟件進(jìn)行分析。FO法測(cè)量結(jié)果的處理主要有三步：（1）處理基礎(chǔ)濾波，可以消除不必要的低頻信號(hào)；（2）空氣波校正，旨在獲取雷達(dá)圖像準(zhǔn)確的起點(diǎn)位置；（3）指數(shù)補(bǔ)償增益，初始值設(shè)置為10，最大增益設(shè)置為1 000，衰減系數(shù)設(shè)置為32。CMP法測(cè)量結(jié)果的處理主要有兩步：（1）基礎(chǔ)濾波處理，消除不必要的低頻信號(hào)，保留高頻信號(hào)；（2）自動(dòng)增益控制，時(shí)窗設(shè)置為1，最大增益值設(shè)置為5 000。

在典型地塊中心處開挖土壤剖面，根據(jù)土壤分層情況，自下而上每間隔30 cm采集土壤樣品，烘干法（105℃）測(cè)定土壤質(zhì)量含水量；按水土比5∶1的比例提取浸提液，用HQ30d數(shù)字化分析儀測(cè)定土壤電導(dǎo)率。使用 Microsoft Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)基本處理，使用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤介電常數(shù)的獲取與分析

2.1.1 土壤介電常數(shù)的獲取 土壤水鹽含量越高，探地雷達(dá)探測(cè)深度越淺，信號(hào)衰減越強(qiáng)烈，從而一定程度上影響電磁波單位時(shí)間內(nèi)的振幅大小，需要獲取GPR測(cè)量下的土壤介電常數(shù)。

本研究采用共中心點(diǎn)法獲取電磁波實(shí)際傳播速度。地塊的地下水平界面的反射波的雙程走時(shí)T：T2 =X2/v2+D2/v2 ，其中，X為雷達(dá)發(fā)射天線與接收天線之間的距離，D為地塊的深度，v為上述電磁波實(shí)際傳播速度； 地面直達(dá)波可看成是D=0時(shí)的反射波。當(dāng)?shù)貙与姶挪ㄋ俣炔蛔儠r(shí)，T與X成線性關(guān)系，即圖中紅色直線的斜率為地面波的速度。通過Line View軟件中的雙曲線速度標(biāo)定按鈕（hyperbola velocity calibration button）提取地面波和表層反射波的速度，通過拖曳雙曲線的尾巴調(diào)整雙曲線的形狀與雷達(dá)波形相匹配后，軟件自動(dòng)計(jì)算反射界面之上土層的平均速度（圖2）。

本研究采用的土壤介電常數(shù)的估算公式：ε≈（c/v）2。

式中，c為電磁波在真空中的傳播速度，為0.3 m/ns，v為提取的GPR地面波傳播速度（m/ns），是電磁波的實(shí)際傳播速度。采用上述方法測(cè)定得到待測(cè)地塊的介電常數(shù)ε。

2.1.2 土壤水鹽含量與介電常數(shù)分析 測(cè)量開挖剖面各層土壤的EC（電導(dǎo)率）值，鹽分與EC值換算公式[16]：Y=0.402EC+0.142，Y為鹽分。獲得的土壤水鹽含量實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

（1）從表1中可以看出，各類試驗(yàn)地塊處理前后，土壤含水量變化趨勢(shì)具有一致性，均表現(xiàn)為土壤表層含水量低于中下層含水量。但也有差異性：在裸土地地塊中，中層土壤含水量與表層相近，但總體含量較低，顯著低于下層；在小麥長(zhǎng)勢(shì)一般的地塊中，中下層土壤水分含量相近，總體含量較高；長(zhǎng)勢(shì)好的地塊中各層差異明顯，中層含水量明顯高于其他兩層；而小麥長(zhǎng)勢(shì)一般和良好的地塊土壤含鹽量基本由上往下基本是依次遞增的。

對(duì)比來看，小麥長(zhǎng)勢(shì)一般和良好的地塊中層土壤含水量接近并同時(shí)顯著高于裸土地，小麥長(zhǎng)勢(shì)一般的地塊下層土壤含水量顯著高于裸土地和小麥長(zhǎng)勢(shì)好的地塊。土壤鹽含量隨著覆蓋植被的增多而降低，裸土地含鹽量最高且其表層鹽含量顯著高于中下層，加入水后，其含鹽量出現(xiàn)一定程度遞減。

在加入水和鹽溶液后均表現(xiàn)為表層和中層土壤含水量顯著增加，下層土壤含水量變化不大；加入水分的地塊中土壤含水量要比加入鹽溶液的地塊高，隨著鹽溶液濃度的升高，土壤含水量增長(zhǎng)變慢。

（2）從GPR信號(hào)反應(yīng)來看，在加入水和鹽溶液的地塊中，其電磁波傳播速度降低，并且隨著鹽溶液濃度的增加，降低趨勢(shì)越發(fā)明顯。

在裸土地的各項(xiàng)處理中，電磁波傳播速度均隨著土層深度的增加逐漸減??；而在小麥長(zhǎng)勢(shì)一般和長(zhǎng)勢(shì)良好的各地塊中，電磁波傳播速度均表現(xiàn)為表層>下層>中層，且其各層土壤電磁波傳播速度明顯低于裸土地中對(duì)應(yīng)各層的傳播速度。由ε≈（c/v）2計(jì)算得出的土壤介電常數(shù)也具有相同的變化趨勢(shì)。

將GPR信號(hào)的反應(yīng)量與土壤水鹽含量相比較發(fā)現(xiàn)，電磁波的傳播速度受到土壤中水鹽含量的影響，水鹽含量升高造成電磁波傳播速度的衰減，土壤水分含量對(duì)電磁波速度的影響大于土壤鹽分的影響。

不同植被覆蓋下的GPR影像如圖3所示，在表層0～30 cm土壤中，電磁波的傳播速度表現(xiàn)為裸土地>小麥長(zhǎng)勢(shì)一般地塊>小麥長(zhǎng)勢(shì)良好地塊，其主要受土壤中水分含量的影響，水分含量越高，對(duì)電磁波吸收作用越強(qiáng)，電磁波傳播速度越低，與其對(duì)應(yīng)的土壤介電常數(shù)越高。250 MHz天線GPR可以清晰識(shí)別空氣波、地面波和反射波；隨著天線間距加大，地面波衰減加快，地面波信號(hào)顯著變?nèi)酰? m深度內(nèi)的土層反射信號(hào)顯著，隨著探測(cè)深度增加，反射波衰減加快，雙程走時(shí)超過30 ns之后，GPR難以清晰識(shí)別土層。

2.2 土壤振幅信息的獲取與分析

2.2.1 土壤振幅的獲取 為進(jìn)一步研究濱海鹽漬土土壤鹽分對(duì)電磁波信號(hào)的影響，選取隨電磁波傳播時(shí)間而變化的振幅數(shù)據(jù)分析電磁波能值上的差異（圖4）。

可以看出三類地塊，其電磁波的波形類似，但其電磁波振幅表現(xiàn)為裸土地<小麥長(zhǎng)勢(shì)一般的地塊<小麥長(zhǎng)勢(shì)良好的地塊。由于三類地塊除水鹽含量外，其他理化性質(zhì)基本一致，因而水分和電導(dǎo)率是造成電磁波信號(hào)衰減和振幅能值降低的主要因素。小麥長(zhǎng)勢(shì)一般地塊的土壤水分含量略高于小麥長(zhǎng)勢(shì)良好的地塊，但其電磁波振幅能值明顯低于小麥長(zhǎng)勢(shì)良好的地塊，這表明電導(dǎo)率，即土壤可溶性鹽分是造成土壤振幅能值降低的主要原因。

選取相同地塊的不同處理方式下的時(shí)間振幅數(shù)據(jù)（圖5）發(fā)現(xiàn)，水分與鹽溶液的加入基本不會(huì)改變電磁波的波形，只是降低土壤電磁波振幅能值；但加入鹽溶液的地塊振幅能值下降的速率顯著高于只加入水的地塊。進(jìn)一步表現(xiàn)出土壤鹽分對(duì)電磁波振幅能值的顯著影響。并且各類地塊的振幅能值大部分集中在0～20 ns范圍內(nèi)，20 ns后其能值趨近于零。

2.2.2 土壤振幅的討論 為進(jìn)一步獲取剖面土壤分層下水鹽特征與電磁波振幅的關(guān)系，利用GPR時(shí)間、深度影響圖（圖6），分別獲取各處理地塊的0～30、30～60、60～90 cm范圍內(nèi)的平均振幅進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各類處理地塊平均振幅均表現(xiàn)為上層>中層>下層，在加入水和鹽溶液后其趨勢(shì)保持不變，但下降幅度出現(xiàn)不同程度的減小。加入鹽溶液的同類地塊分層電磁波振幅下降幅度明顯高于加入水溶液的地塊，且鹽溶液濃度越大，振幅下降幅度越大。

從地塊類型來看，小麥長(zhǎng)勢(shì)一般和長(zhǎng)勢(shì)良好的地塊分層振幅下降幅度明顯低于裸土地，其電磁波損耗比明顯小于裸土地；而裸土地的鹽分含量顯著高于其他兩組，說明鹽分的增加造成了電磁波能值的迅速減弱，因而振幅信息可以從一定程度上反映土壤鹽分的變化。

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)因水鹽含量不同導(dǎo)致植被長(zhǎng)勢(shì)差異地塊的探測(cè)，并人為增設(shè)水鹽梯度，與實(shí)測(cè)剖面的土壤水鹽含量數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)250 MHz中心頻率的GPR，其電磁波傳播速度與水鹽含量有一定的聯(lián)系。隨著水鹽含量的增加，電磁波傳播速度逐漸衰弱，且水分含量的影響顯著高于鹽分含量的影響。

（2）濱海鹽漬土中土壤含鹽量對(duì)電磁波振幅能值影響顯著，土壤可溶性鹽分增加是造成電磁波振幅能值下降的主要原因，電磁波振幅的變化可以一定程度上反映出土壤鹽分變化。

（3）濱海鹽漬土水鹽含量變化影響GPR信號(hào)的電磁波傳播速度與振幅，電磁波傳播速度推導(dǎo)的土壤介電常數(shù)與土壤振幅信息可為GPR定量反演土壤含鹽量奠定理論基礎(chǔ)。

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